无损检测 超声测厚
Non-destructive testing - Ultrasonic thickness measurement
1 范围
本文件规定了接触法脉冲声时测量的超声测厚。
本文件适用于金属和非金属材料的超声测厚。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文
件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证(GB/T 9445-2015,ISO 9712:2012,IDT)
GB/T 12604.1 无损检测 术语 超声检测(GB/T 12604.1-2020,ISO 5577:2017,MOD)
GB/T 20737 无损检测 通用术语和定义(GB/T 20737-2006,ISO/T S18173:2005,IDT)
GB/T 36439 无损检测 航空无损检测人员资格鉴定与认证
3 术语和定义
GB/T 12604.1和GB/T 20737界定的术语和定义适用于本文件。
4 方法概要
4.1 通过测量探头发出的超声波信号一次、两次或多次穿过被测材料后的时间来确定被测材料的厚度。厚度通过已知声速与脉冲回波时间的乘积除以穿过次数来计算,见公式(1)。
4.2 被测材料声速是材料物理特性的函数。对给定的材料通常假定材料声速是一常数。常用材料的声速值参见附录A。因成分、处理工艺和测量条件变动的影响,表A.1中数据不是绝对准确的,但通常情况下可直接使用,也可根据试验重新测定。
4.3 超声测厚可通过图1所示的以下四种方法来实现:
a) 方法1(单次回波法):测量初始脉冲和第一次底面回波之间的时间,同时对零点进行校正;
b) 方法2(单次回波延时法):测量延迟块界面波与第一次底面回波之间的时间;
c) 方法3(多次回波法):测量多次底面回波之间的时间;
d) 方法4(穿透法):测量超声脉冲从发射探头通过被测材料到底面接收探头的时间。
a) 方法1(单次回波法) b) 方法2(单次回波延时法)
c) 方法3(多次回波法) d) 方法4(穿透法)
5 一般要求
5.1 仪器
5.1.1 仪器应能方便调节并显示测量范围内的厚度值。时基线调节功能在不同的仪器上有不同的名称,例如范围、扫描、材料校准或声速。用于测厚的仪器可分为以下3类:
a) 数字直读式超声测厚仪;
b) 带A扫描显示并能直接显示厚度的超声测厚仪;
c) 带A扫描显示的超声探伤仪。
5.1.2 数字直读式超声测厚仪是将初始脉冲和第一次回波之间或多次回波之间的声程时间转换成仪表指示或数字显示。这类仪器用于特定材料和厚度范围内被测产品的厚度测量,并直接数字显示厚度。
5.1.3 带A扫描显示并能直接显示厚度的超声测厚仪是将材料厚度用超声波形显示,然后在数字显示屏上显示测量值。A扫描显示可通过观察测量情况的变化,监测测量的有效性。测量中出现的内部不连续或回波强度变化,均可导致不准确的读数。
5.1.4 带A扫描显示的探伤仪是通过校准零点和声速后,读出初始脉冲和第一次底面回波之间的距离来测量厚度,或通过A扫描显示校准时基线上多次底面反射回波之间距离来测量厚度。
5.1.5 超声测厚仪每年应按现行有效的方法进行校准并满足使用要求。
5.2 探头
5.2.1 超声测厚应采用双晶或单晶纵波探头。
5.2.2 探头的其他具体要求见6.3。
5.3 耦合剂
5.3.1 超声测厚是通过施加流体或凝胶来满足探头和材料之间的声学耦合。耦合剂应透声性好,对被检材料、设备和操作人员无不利影响。
5.3.2 选择的耦合剂应适用于被测产品表面条件和形状的不规则性,以确保能充分耦合。
5.3.3 特殊测量条件下使用的耦合剂要求见6.4。
5.4 校准试块
校准试块的声速和厚度应是已知的,且与被测产品材料相同或相似。校准试块可以是一组,也可以
是阶梯试块。试块的厚度宜覆盖被测产品的厚度范围。其中试块的一个厚度值应不小于测量范围的最大厚度,试块的另一个厚度值应不大于测量范围的最小厚度。
测厚用钢阶梯试块的制作可参考GB/T 39432,其他材料测厚试块也可参考该文件制作。
5.5 检测人员
5.5.1 按本文件实施超声测厚的人员应按GB/T 9445、GB/T 36439或合同各方同意的体系进行人员资格鉴定或认证,取得超声检测人员资格等级证书,并由雇主或代理对其进行岗位培训和授权。
5.5.2 检测人员应了解被测产品和材料的特性。
6 测量准备
6.1 表面状态
6.1.1 被测产品表面应清洁、平整,无表面松散及非黏性涂层。测量接触区域不小于2倍探头直径。
接触不良可引起信号声能损失以及信号和声束传播路径的改变。
6.1.2 如果测量表面存在涂层,涂层应与材料结合良好,允许表面存在紧贴型涂层如涂漆、珐琅等。仅有少数测厚仪可测出涂层厚度。当测量有涂层的产品厚度时,涂层的厚度和声速应该是已知的,否则应采用方法3(多次回波法)进行测量。
6.1.3 一般腐蚀、磨蚀产品表面比较粗糙,有点蚀或其他缺陷(参见附录B)。腐蚀表面应打磨去除锈斑,打磨时厚度不应减小到可接受的最小值以下。
6.2 方法选择
6.2.1 一般要求
6.2.1.1 超声测厚通常应用在以下两个领域:
---制造过程测量;
---在役剩余壁厚测量。
6.2.1.2 应根据被测产品的材料、几何形状和厚度以及测量精度的要求,选择合适的仪器和测量方法,参见附录C和附录D。
6.2.1.3 厚度测量的精度取决于声波时间的测量精度。采用不同的方式进行时间测量(过零测量,前沿测量,峰值测量),方法3(多次回波法)精度均高于方法1和方法2;依据不同的频率进行测量时,高频探头比低频探头的测量精度高。
6.2.1.4 若被测产品的测厚区域较大,宜采用均匀的测量间距,推荐使用网格。网格尺寸宜结合工作量和测量结果的代表性综合考虑确定。
6.2.2 制造过程测量
6.2.2.1 采用脉冲回波法测量时(方法1、方法2和方法3),参见附录C(图C.1和图C.2)。测量清洁、
平行的表面时,可选用简单的数字直读超声测厚仪。当测量中除了底面回波还有其他回波时,如复合材料的测量,宜采用带A扫描显示的超声测厚仪或A扫描显示的超声探伤仪。
6.2.2.2 当被测产品对超声具有高衰减性或厚度较大,回波幅度较小无法获取时,可选择方法4进行测量。此时仪器应具有独立的发射和接收功能(TR方法),测量时将两个探头分别放置在被测产品的正反两面。该方法通常采用小于1MHz的频率较低的探头。
6.2.3 在役剩余壁厚测量
6.2.3.1 在役测量主要应用于腐蚀、磨蚀产品的剩余厚度测量。建议使用双晶探头,低反射回波区域的测量可适当提高增益。
6.2.3.2 测量有位置信息的大量数据点时,宜使用有数据记录功能的仪器。
6.2.3.3 在役测量时,测量设备在测量现场应能承受高温、苛刻的环境条件或电磁干扰。
6.2.3.4 在役厚度测量的方法,参见附录C(图C.3和图C.4)。
6.3 探头选择
6.3.1 宽频带探头比窄频带探头激发时间更短的脉冲波,具有更好的分辨力,一般用于涂层或薄板的测厚。在测量高衰减材料时,宽频带探头获得更稳定的回波。
6.3.2 探头尺寸和频率的选择应能获得较窄的声束宽度,以精确测量限定的区域,并能穿透整个厚度范围。
6.3.3 对于薄的材料,一般使用高阻尼、高频率探头。高频(10MHz或更高)延迟块探头可用于
0.6mm 左右厚度钢材料的测量;也可采用小焦距双晶探头进行薄材料的测量。对于双晶探头,焦距范围应覆盖被测产品的厚度范围。
6.3.4 当测量较小厚度的产品时,可使用延迟块探头采用方法2或方法3进行测量。当延迟块材料声阻抗较低时,如塑料延迟块放在金属上测量,界面回波产生相位转变,应校正以获得准确的测量结果。
有些测厚仪具备自动校正功能。
6.3.5 当材料表面温度较高,延迟块做为热屏障使用时,延迟块应能承受被测产品的温度。测量前应了解温度对延迟块声特性的影响(声衰减和声速漂移)。探头制造商应提供探头可使用的温度范围和测量温度下的使用时间。
6.3.6 根据不同的厚度和材料,探头频率范围可从测量高衰减材料使用的100kHz到测量薄金属片使用的50MHz。
6.3.7 如使用双晶探头,应对声波传输V型路径的误差进行补偿。通常在测量薄材料时双晶探头的传播时间与厚度不再有线性关系,测量的厚度越小,这种非线性越严重。变化示意图见图2a)所示,典型的误差值见图2b)。
a) 声程提高与厚度减少的比例示意 b) 典型的读数误差
图2 双晶探头的非线性
6.3.8 在弧面上测量时,应保证探头直径远小于被测区域。
6.4 特殊条件下的厚度测量
6.4.1 一般要求
6.4.1.1 应严格遵守关于安全使用化学品及电气设备的法规及程序。
6.4.1.2 如要求高精度测量,宜在与被测产品环境温度相同时使用校准试块或参考试块进行标定。
6.4.2 温度0℃以下的测量
6.4.2.1 对于0℃以下的测量,耦合剂应保持声学特性并且凝固点低于测量环境温度。
6.4.2.2 当温度低于-20℃时,宜使用特殊设计的探头,且遵循制造商建议限制接触被测产品时间。
6.4.3 高温环境下的测量
6.4.3.1 当温度高于60℃时,应使用高温探头,且耦合剂应满足在检测温度下的使用要求。
6.4.3.2 在使用A扫描显示探伤仪时,仪器宜具有锁屏功能,以利于检测人员评估响应信号。探头的
接触时间应限定在制造商建议测量所需的最短时间内。
6.4.4 危险环境下的测量
6.4.4.1 在危险环境测量时,应严格遵守现行的安全法律法规。
6.4.4.2 在腐蚀性环境中,耦合剂不应与环境发生不良反应,并应保持其声学性能。
7 仪器的设置
7.1 带A扫描显示的超声探伤仪设置
7.1.1 带A扫描显示的超声探伤仪与直接接触单晶片探头的组合
7.1.1.1 显示起点与初始脉冲同步,时基线应是线性的。整个厚度范围均在A扫描上显示。
7.1.1.2 对延时控制进行微调,减去保护膜中的传播时间。校准试块至少提供覆盖所测厚度范围的两个厚度,以校准整个测量范围的精度。
7.1.1.3 探头放在已知厚度的试块上,调整仪器控制(声速校准、范围、扫描或声速)直到回波显示适当的厚度读数。
7.1.1.4 在读数值小于该厚度值的试块上检查和调整,以提高系统的精度。必要时在阶梯试块的中间厚度上再进行验证。
7.1.2 带A扫描显示的超声探伤仪与延时块单晶片探头组合
7.1.2.1 使用延时块单晶片探头时,仪器应能校正通过延时块的时间,以便延时结束时能对应零厚度。
仪器应具备“延时”控制,或电子自动调零功能。
7.1.2.2 若可预先调整到某给定材料的声速,则可通过调整延时控制直到仪器显示正确厚度值的方法标定;若无法设定声速,也可采用如下方法进行仪器设置。
a) 至少使用两个试块。一个试块厚度不小于测量范围的最大值,另一个试块厚度不大于测量范
围的最小值。为方便起见,厚度宜是整数,使厚度之差也是整数值。
b) 探头依次放在两个试块上,分别调整声速校准功能,取得两者厚度读数差。调整直至厚度读数
差等于实际厚度差,材料厚度范围调整正确。
7.1.2.3 另一种延时块探头的调整方法是7.1.2.2规定方法的变化。按步骤进行一系列调整后,使用延时控制在薄试块上提供正确读数和“范围”控制功能在厚试块上校准读数。有时适度的过校准是有用的。当两个读数正确时,仪器调整完毕。
7.1.3 带A扫描显示的超声探伤仪与双晶探头的组合
7.1.3.1 7.1.2.2规定的方法也适用于双晶探头测量大于3mm厚度范围的仪器设置。由于声速传播的声程是V字型,因此对于小于3mm厚度测量存在固有的误差。传播时间与厚度不再成线性关系,测量的厚度越小,这种非线性越严重。见图2所示。
7.1.3.2 在厚度接近且非常薄的有限范围内测量时,可在适当的薄试块上采用7.1.2.2规定的方法校准仪器,得出在有限范围内近似正确的校准曲线。此时测量较厚产品会产生误差。
7.1.3.3 若测量厚度范围较大,则按7.1.2.2规定的方法校准。使用两块试块,一块为最大厚度,另一块的厚度为最大厚度和最小厚度的中间值。此时进行薄端测量会产生误差。
7.1.4 厚部件高精度测厚的仪器设置
7.1.4.1 基本设置按7.1.1规定的方法进行。校准试块应精确校准整个扫描距离的厚度值,即满屏大约10mm或25mm。
7.1.4.2 基本设置完成后,调整扫描延时。例如被测产品标称厚度是50mm~60mm,校准试块是
10mm,厚度范围也是50mm~60mm。调整延时控制使校准试块的第五次背面反射等于50mm,与A扫描显示上参考零点重合,第六次背面回波应位于校准扫描线的右侧。
7.1.4.3 设置结束后可在已知近似总厚度的试块上进行验证。
7.1.4.4 在未知试块上取得的读数应加上被延时在荧光屏以外的值。例如,如果读数是4mm,则总厚度为54mm。
7.1.5 高衰减材料测厚的仪器设置
高衰减材料可采用方法4(穿透法)进行测厚。发射脉冲指示可用于表示零时间脉冲,将其设置为
零刻度,并将接收到的脉冲信号位置设置与刻度上的已知厚度对齐。
7.2 数字直读式超声测厚仪的设置
7.2.1 仪器应有“声速设定”(或“材料选择”或“声速校正”)和“零位校正”功能。
7.2.2 通常采用与被测产品材料相同的试块,一块厚度不小于待测厚度最大值,另一块不大于待测厚度的最小值。
7.2.3 探头置于较厚试块上,调整仪器的“声速设定”,使测厚仪显示读数接近已知值。
7.2.4 探头置于较薄试块上,调整仪器的“零位校正”,使测厚仪显示读数接近已知值。
7.2.5 反复进行7.2.3和7.2.4,直到厚度量程的高低两端都得到正确读数为止。
7.2.6 若已知材料声速,则可预先设定声速值,然后测量仪器附带的薄钢试块,调节“零位校正”,使仪器显示出不同材料换算后的显示值。
7.3 带有A扫描的超声测厚仪的设置
直接显示厚度的A扫描测厚仪的设置见7.1和7.2。
7.4 特殊检测条件下测厚时仪器的设置
特殊检测条件下测厚时仪器的设置见附录E。
7.5 仪器设置的核查
发生以下情况时应进行仪器设置的核查:
a) 所有测量工作完成时;
b) 工作期间定期检查,每天至少一次;
c) 在探头或探头线更换时;
d) 被测材料类型改变时;
e) 材料或仪器温度显著变化时;
f) 仪器设置改变时;
g) 按其他质量文件规定的核查时间。
8 检测报告和记录
8.1 检测报告
应按照现场操作的实际情况详细记录测量过程的有关信息和数据。除合同要求的信息外,还至少
包含以下内容:
a) 检测单位;
b) 检测日期;
c) 测量地点;
d) 材料类型;
e) 被测产品的一般描述;
f) 测量要求;
g) 参考文件编号;
h) 测量结论(或数据);
i) 测量和复核人员。
8.2 检测记录
一般包含以下内容:
a) 测量方法;
b) 测量点位置描述/或标示;
c) 设备型号和序列号;
d) 探头型号(包括探头尺寸/频率)和序列号;
e) 校准试块(如使用);
f) 耦合剂类型;
g) 原始厚度(如需要)和允许的公差(如果已知);
h) 测量结果(表和/或图);
i) 测量位置的图纸/草图;
j) 目视检查/条件注释(如需);
k) 不连续部位示意图(如需)。
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